FABRICACIÓN N ASISTIDA POR ORDENADOR

Transcripción

1 FABRICACIÓN N ASISTIDA POR ORDENADOR Control Numérico E.T.S.I.. de Bilbao Curso Aitzol Lamikiz Mentxaka

2 FABRICACIÓN N ASISTIDA POR ORDENADOR Control Numérico Tema 02: Estructura de un CNC

3 Índice 1. Funciones a Resolver por un CNC 2. Control de movimiento mediante lazo cerrado: Feed Forward 3. Elementos de un CNC de última generación 4. Arquitectura de un CNC 5. Sistemas CNC abiertos 6. Prestaciones de un CNC

4 Funciones a resolver por un CNC Supongamos que se desea una ejecutar una determinada trayectoria (controlando también la velocidad) en una máquina, interpolando varios ejes a la vez. El movimiento se consigue mediante el control continuo de los actuadores que mueven cada grado de libertad. El CNC tiene que leer el programa y dar las órdenes para el correcto movimiento de los ejes. Es necesario que la respuesta de los actuadores sea rápida y ágil para corregir la posición de cada eje continuamente. Por último, para poder corregir la posición de los ejes, se necesita medir la posición y velocidad de los mismos.

5 Funciones a resolver por un CNC Supongamos que se desea una ejecutar una determinada trayectoria (controlando también la velocidad) en una máquina, interpolando varios ejes a la vez. Para ello, se deben resolver dos problemas: Resolver el problema cinemático inverso. Este problema lo resuelve el INTERPOLADOR. Regular cada eje en cada instante para alcanzar las posiciones calculadas. Este problema lo resuelven los LAZOS de CONTROL.

6 Problema Cinemático Inverso Problema cinemático inverso: calcula el movimiento de cada eje por separado para que la ejecución sincronizada de todos ellos resulte en la trayectoria deseada. El CNC, partiendo de la posición de la herramienta debe calcular la posición de cada eje a lo largo del tiempo. Esta operación se realiza mediante el interpolador. El resultado es la posición de cada eje a lo largo del tiempo partiendo de los datos de la trayectoria que se desea controlar. En la mayoría de los casos, la resolución del problema cinemático inverso es muy sencilla.

7 Control de sistemas cartesianos La resolución de este problema en las máquinas de cinemática cartesiana es sencillo debido a que los ejes coinciden con los ejes del sistema de referencia que se emplea a la hora de programar una trayectoria. Centro de torneado de 3 ejes Centro de mecanizado de 5 ejes

8 Control de otro tipo de cinemáticas Otros tipos de máquinas gobernadas por CNC, no tienen los ejes orientados en las direcciones de los ejes cartesianos empleados para la programación. Es el caso de los robots o de las máquinas de cinemática paralela. Centro de taladrado de cinemática paralela de 3 ejes Robot antropomórfico

9 Regulación n de los ejes La resolución del problema cinemático inverso da como resultado la posición de cada eje a lo largo del tiempo. Para ello se calcula una consigna de posición para cada eje en cada instante. La sucesión de consignas de posición da como resultado la trayectoria deseada. X s Ys Se calculan nuevas consignas de posiciones para cada instante t. Zs Cálculo de los movimientos de cada eje Trayectoria planteada Consignas de posición t

10 Control mediante lazo abierto La forma más simple de controlar un eje es el control mediante lazo abierto. Este tipo de control acumula los errores que son introducidos por la aplicación de las fuerzas exteriores. Control de un eje mediante lazo abierto Fuerzas Exteriores Consigna de posición Consigna de velocidad X s Control de Posición V s Regulador y Motor Elem. de transmisión mecánica Sistema a Controlar Error Acumulado ε 1 ε2 ε2 Consignas de posición

11 Control mediante lazo cerrado Los ejes de una máquina herramienta se controlan mediante un lazo de posición. En la actualidad todas las máquinas disponen de ejes controlados mediante lazo cerrado. Cada eje dispone de una serie de elementos: Regulador + Motor Sistema de transmisión mecánica Sistema de capatación de posición El control numérico calcula la consigna de posición de cada eje y convierte esta consigna en una señal de velocidad (V s ). Cuando esta consigna llega al regulador, se ejecuta el movimiento controlando la cada eje ε 2 Error Acumulado ε 1 Consignas de posición

12 Control mediante lazo cerrado Los ejes de una máquina herramienta se controlan mediante un lazo de posición. En la actualidad todas las máquinas disponen de ejes controlados mediante lazo cerrado. Servo-motor Transmisión Sistema de Captación ACCIONAMIENTO ELEMENTO DE MEDIDA Regulador Husillo a Bolas CNC V s Consigna de Velocidad CNC (Calcula X s V s ) V r Velocidad Medida X r Posición Medida Doble lazo cerrado de Velocidad y posición El lazo de posición se cierra cada 1-5 ms El de velocidad cada ms

13 Control mediante lazo cerrado Los ejes de una máquina herramienta se controlan mediante un lazo de posición. En la actualidad todas las máquinas disponen de ejes controlados mediante lazo cerrado. Consigna de posición Fuerzas Exteriores X s Δ X + Control de Posición - V s X r Consigna de velocidad Regulador y Motor Elm. de transmisión mecánica V r X r Sistema de medida Dispositivo de Control Sistema a Controlar

14 Factor Kv: Ganancia del lazo cerrado de posición Por lo general, los sistemas de medida y control de posición suelen comportarse de forma proporcional. Este factor de proporcionalidad se denomina ganancia del lazo de posición o Kv y se calcula como la relación entre la consigna de velocidad Vs y la desviación ΔX. Consigna de posición Fuerzas Exteriores X s Δ X + Control de Posición - V s X r Consigna de velocidad La consigna de velocidad es Elm. de proporcional a la transmisión diferencia entre Motor la consigna de mecánica posición (X s ) y la posición real (X r ). Regulador y V r K V Vs = Δx X r Sistema de medida Dispositivo de Control Sistema a Controlar

15 Error de Seguimiento La desviación ΔX es un retraso que lleva el eje en relación a la consigna de posición. Este retraso no introduce errores en movimientos rectilíneos. Sin embargo si que supone un error en el mecanizado de aristas o de superficies complejas. El error de seguimiento se puede calcular como: Δx = V K s V Si la posición real es cercana a la consigna de posición Δx V s X r : Posición Real Δx X s : Consigna de posición Si la posición real está lejos de la consigna de posición Δx V s Δx X r : Posición Real X s : Consigna de posición

16 Error de Seguimiento La desviación ΔX es un retraso que lleva el eje en relación a la consigna de posición. Este retraso no introduce errores en movimientos rectilíneos. Sin embargo si que supone un error en el mecanizado de aristas o de superficies complejas. El error de seguimiento representa por tanto un desfase entre la consigna de posición y la posición real. Si la interpolación es sencilla (como una línea recta), la trayectoria realizada no presenta desviaciones. Δx Δx X r : Posición X s : Consigna X r : Posición X s : Consigna X s : Consigna Real de posición Real de posición de posición X r : Posición Real Sin embargo, si la trayectoria es más compleja, el desfase introducido por el error de seguimiento puede introducir errores en la trayectoria: Δx X r : Posición Real X s : Consigna de posición X s : Consigna de posición X r : Posición Real

17 Error de Seguimiento Este defecto se puede corregir utilizando diferentes algoritmos de control: Control proporcional con ganancia de posición variables: Se introduce un valor variable de Kv función del error de seguimiento. 2.- Introducir controles de posición tipo PID: Se basa en suavizar las aceleraciones y deceleraciones, por lo que se puede aumentar la ganancia del lazo de posición Kv. 3.- Considerar algoritmos tipo Feed-Forward: Se basa en introducir directamente valores proporcionales a la consigna de posición, velocidad y aceleración. Parte de Feed Forward PDD Xs + ΔX PID V s X r -

18 Tipos de Algoritmos de Control Este defecto se puede corregir utilizando diferentes algoritmos de control: Control proporcional con ganancia de posición variables: Se introduce un valor variable de Kv función del error de seguimiento. Introducir controles de posición tipo PID: Se basa en suavizar las aceleraciones y deceleraciones, por lo que se puede aumentar la ganancia del lazo de posición Kv. Considerar algoritmos tipo Feed-Forward: Se basa en introducir directamente valores proporcionales a la consigna de posición, velocidad y aceleración. CNC Esquema del algoritmo Feedforward de Heidenhein

19 Ajuste de la Ganancia del Control El valor del da la ganancia del lazo de posición, se debe ajustar para que el valor de la consigna de velocidad se obtenga en el mínimo tiempo posible y permanezca estable a lo largo del tiempo. V S Kv Valor Teórico Kv t

20 Interface Es la parte visible del CNC. Es desde donde se operan todas las funciones de la máquina y desde donde se cargan los programas. Se visualiza el estado de la máquina: posición, velocidades de ejes, potencia consumida, alarmas, programas, trayectorias,... Dependiendo del fabricante puede variar la estética, pero casi siempre se dispone de la misma información y opciones. Interface Fagor 8070 Interface Heidenhein itnc530

21 Unidad Central Situada en el armario eléctrico de la máquina, es el autentico CNC de la máquina. En ella se encuentra el microprocesador encargado del cálculo de las posiciones de cada eje y las tarjetas que regulan los ejes. También se integra un autómata programable (PLC) que ejecuta todas las ordenes auxiliares que no dependen del movimiento. También dispone de: Fuente de alimentación Tarjeta de entradas/salidas.... Fagor 8055 Fidia serie M CPU - PC CPU - PC Unidad central Unidad central

22 Autómata de Lógica L Programable Controlador lógico que genera una serie de salidas en función de unas entradas y un programa secuencial. Se emplea para automatización de máquinas. Es el encargado de ejecutar todas las funciones auxiliares del CNC: Arranque/parada de husillo principal Apertura/Cierre del fluido de corte Cambio de herramientas Cambio de pallet... ENTRADAS SALIDAS Programa

23 BUS de Información Se encarga de enviar la información desde la unidad central hasta el PLC, las tarjetas de regulación de los ejes y otros módulos que pueden estar presentes en el CNC. El bus debe garantizar que la transmisión de señales entre la Unidad central y las tarjetas de los reguladores sea fiable y rápida. En la actualidad existen dos estándares que se utilizan en CNC: PROFIBUS (Siemens) y SERCOS (Fagor) A B C A B E D E F BUS CABLEADO F D C

24 Accionamientos de avance Conjunto de elementos que se encarga de mover los ejes de la máquina. Los accionamientos para ejes lineales (X, Y, Z) se componen de un servomotor y de un sistema de conversión de movimiento de giro a lineal. El método más empleado es la combinación de servomotor + husillo a bolas. Servomotor Husillo

25 Accionamientos de avance Conjunto de elementos que se encarga de mover los ejes de la máquina. Los accionamientos para ejes rotativos (A, B, C) utilizan un servomotor + reductor. Servomotor eje A Servomotor eje C

26 Accionamientos de motor principal El husillo principal en una máquina herramienta es el encargado de suministrar la potencia para el movimiento principal o de corte. Su principal característica es la potencia (mucho mayor que los servomotores de los accionamientos). Electrohusillo para fresado Husillo principal para torneado

27 Accionamientos de motor principal El husillo principal en una máquina herramienta es el encargado de suministrar la potencia para el movimiento principal o de corte. Su principal característica es la potencia (mucho mayor que los servomotores de los accionamientos). En principio no se interpola, pero en algunos casos, en los centros de torneado sí se debe controlar la posición para operaciones con herramientas motorizadas. Eje C, además de motor principal

28 Elementos de medida Los sistemas de medida son los encargados de dar la posición y velocidad real de los ejes de la máquina. Se pueden utilizar sistemas diferentes sistemas de medida (ópticos, magnéticos,...). En la actualidad los que más se emplean son las reglas ópticas para medidas lineales y los encoders para medidas angulares y velocidades. Encoder Regla óptica

29 Elementos de medida Los sistemas de medida son los encargados de dar la posición y velocidad real de los ejes de la máquina. Se pueden utilizar sistemas diferentes sistemas de medida (ópticos, magnéticos,...). En la actualidad los que más se emplean son las reglas ópticas para medidas lineales y los encoders para medidas angulares y velocidades. En ocasiones se utilizan sistemas de medida redundantes (regla óptica + Encoder) para un mayor control de la cadena cinemática. Encoder Regla óptica

30 Arquitectura de un CNC Puede ser variable según el modelo o la aplicación, pero todos los CNC disponen una serie de elementos comunes. La configuración de los elementos que forman el CNC puede ser como la que se muestra a continuación: Interface Unidad Central + PLC CNC PLC Señales a los motores

31 Arquitectura de un CNC Puede ser variable según el modelo o la aplicación, pero todos los CNC disponen una serie de elementos comunes. La configuración de los elementos que forman el CNC puede ser como la que se muestra a continuación: BUS con interface de comunicación digital estándar IEC 61491

32 Ejecución n de un programa CNC En el siguiente esquema se presenta la secuencia de órdenes y pasos que se dan para la ejecución de un bloque CNC: Salidas PLC Entradas OK STOP Decodificador Datos G01 X10 Y10 Z10 F100 S1200 M03 Interprete Interpolador Interface PLC Control Proceso CNC Programa Pos Pos Pos Consigna Posición Eje 1 Eje 2 Eje 3 Control Posición Eje1 Control Posición Eje2 Control Posición Eje3 Consigna Velocidad Regulador de Velocidad Regulador de Velocidad Regulador de Velocidad M M M ENCODER ENCODER ENCODER

33 Arquitectura de un CNC El nivel de apertura de un CNC da una idea de la posibilidad de adaptar y reconfigurar un CNC para cada usuario concreto. Tradicionalmente solamente se podía adaptar cada CNC cambiando el programa del PLC y/o el interface de usuario. En los últimos años han aparecido una serie de CNC completamente abiertos. Estos CNCs permiten la reconfiguración de la propia unidad de control, con lo que se pueden adaptar a diferentes cinemáticas de máquinas. Incremento del Nivel de Apertura Interface de Usuario PLC Núcleo de CNC Personalización de funciones Obtención de datos específicos Introducción de automatismos a medida Funciones Auxiliares específicas Funciones de diagnóstico/alarmas Control completo en las funciones de interpolación y cálculo de trayectorias

34 Prestaciones de un CNC Existe una amplia de CNCs en el mercado y, como es lógico, dentro de esta oferta se pueden encontrar CNCs de diversas capacidades. La elección de un CNC dependerá de factores como: Tipo de trayectorias que se desean interpolar. Número de ejes interpolados de forma continua. Precisión que se necesite obtener. Velocidad de interpolación. En función de estas características se deberá optar por ajustar las prestaciones del CNC a las necesidades y a la máquina que se desea controlar. Las principales prestaciones que se deben estudiar a la hora de elegir un CNC son las siguientes: Tiempo de proceso de bloque Look Ahead Control de sobreaceleración o Jerk Funciones de interpolación de curvas complejas

35 Tiempo de proceso de bloque Mide el tiempo que tarda un CNC en leer y ejecutar una instrucción del programa y se está en disposición de leer la siguiente instrucción. Cuanto menor sea el tiempo de bloque, más interpolaciones por segundo se podrán realizar y más precisión se podrá obtener. El tiempo de proceso de bloque de los CNC de gama alta del año 2004 está por debajo 1 ms. Está característica es importante si se necesita interpolar trayectorias complejas basadas en pequeños segmentos lineales. Trayectoria deseada Sucesión de interpolaciones lineales. Trayectoria generada

36 Look Ahead Es una función que reduce la velocidad de los accionamientos en zonas de cambios bruscos de dirección como esquinas o radios pequeños, con lo que se obtiene una mejor precisión pero también un mayor tiempo de mecanizado. Esta función se basa en leer una serie de bloques por delante del que se está ejecutando en ese instante. Así, se analizan los cambios bruscos de dirección de la trayectoria y se reduce la velocidad para evitar sobrecargas en los accionamientos. El cálculo de la velocidad de avance depende de cada fabricante de control numérico, pero se suele basar en limitar la velocidad de avance con un nivel máximo de aceleración en los ejes. Ejemplo de cálculo de Look Ahead α R V LA Relacionado con la máxima 1 = K 1 R aceleración normal Relacionado con la máxima cos( α ) aceleración tangencial V LA 2 = K1 V LA3 = F prog Velocidad Programada

37 Control de la Sobreaceleración Los picos en la sobreaceleración (en inglés jerk) son fuentes de inestabilidades en los accionamientos, lo cual puede degenerar en imprecisiones de interpolación y lo que es más importante, una fuente de vibraciones que pueden ocasionar desajustes y fallos en el conjunto de los accionamientos. Para minimizar estos efectos, los controles numéricos evitan la aparición de picos en la sobreaceleración suavizando las variaciones de aceleración. Sin control del Jerk Picos de sobreaceleración Con control del Jerk

38 Interpolación n de curvas complejas Algunos controles incorporan funciones específicas para la interpolación de curvas complejas tales como NURBS o SPLINES. Este tipo de funciones permite introducir un número reducido de puntos e interpolar una curva compleja siguiendo éstos como nudos o polos. Se reduce el número de puntos que se deben introducir en el programa, por lo que el tamaño del programa de control numérico es mucho menor que en el caso de la sucesión de segmentos lineales. Interpolación de segmentos lineales Interpolación de NURBS Puntos interpolados Puntos interpolados